李長安 趙剛

摘要：為了測量脈搏信號，研究設(shè)計(jì)了壓電陶瓷脈搏傳感器及測量裝置，該傳感器利用壓電陶瓷正壓電效應(yīng)制成，實(shí)測表明可得到信噪比高的脈搏信號。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷;正壓電效應(yīng);脈搏傳感器

中圖分類號：TP212.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0013-02

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以及生物醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、生物力學(xué)、生物物理學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等向中醫(yī)領(lǐng)域的滲透， 脈診客觀化取得了長足的發(fā)展。

本文基于鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片，利用激振器、示波器等作為測試工具，測試并提出了壓電陶瓷片作為傳感器的兩個(gè)主要特性，以及在不使用濾波器的條件下，得到了幅度大、信噪比高的脈搏圖像，為后續(xù)分析脈搏波形與病理性聯(lián)系提供了可靠的數(shù)據(jù)[1]。

1 壓電陶瓷片傳感器的特性分析

壓電陶瓷片用作傳感器的特性分析所采用的電路原理為分壓原理，壓電陶瓷片兩極分別接在分壓電路的兩側(cè)，經(jīng)過儀用放大器INA128放大后輸出，通過RIGOL DS1102E示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和波形分析。

電路中使用的放大器為INA128儀用放大器，利用電阻調(diào)平輸出端口的電壓值，其中電阻Rp接放大器INA128的引腳1和引腳8，用于調(diào)節(jié)儀用放大器的放大倍數(shù)，試驗(yàn)中Rp實(shí)際阻值為19.5KΩ，根據(jù)放大器INA128的增益公式G=1+計(jì)算，其放大倍數(shù)理論值約為3.56倍。

1.1 靜態(tài)壓力與輸出電壓的關(guān)系

靜態(tài)壓力是指加在壓電陶瓷片上的力的大小不隨時(shí)間而變化。

對直徑為12mm、20mm、27mm、35mm、43mm的壓電陶瓷片施加不同的靜態(tài)壓力，待波形穩(wěn)定以后，通過示波器觀察波形。其數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

從表1可知，對于壓電陶瓷片，當(dāng)施加靜態(tài)壓力時(shí)，其輸出電壓保持穩(wěn)定[2]。

當(dāng)壓電陶瓷片因靜態(tài)壓力產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，束縛電荷之間的距離變小，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，隨后在新的極化強(qiáng)度下，形成新的電量相等的自由電荷，達(dá)成新的平衡，對外不顯電性。

因此壓電陶瓷片不響應(yīng)靜態(tài)壓力，故不能將其用做測量靜態(tài)壓力的傳感器[3]。

1.2 動態(tài)應(yīng)力與輸出電壓的關(guān)系

動態(tài)應(yīng)力是指加在壓電陶瓷片上的力的大小隨時(shí)間而變化。使用型號為JZ-2的激振器做激振源，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)正弦激振力作為動態(tài)應(yīng)力，將作用力直接作用在壓電陶瓷片金屬片一側(cè)。

對同等厚度直徑為12mm、20mm、27mm、35mm、43mm的壓電陶瓷片施加頻率為1Hz穩(wěn)態(tài)正弦激振力，通過示波器讀取峰值電壓，得到如表2所示數(shù)據(jù)。

從表2可知，同一動態(tài)應(yīng)力下壓電陶瓷片直徑越大，輸出電壓越大[4]。

2 壓電陶瓷片傳感器的應(yīng)用

基于壓電陶瓷片的上述特性，將其制作成脈搏傳感器。為了避免工頻干擾、皮膚干擾，需要對其做接地屏蔽處理，具體方法是：在無陶瓷的銅基板一側(cè)，粘貼塑料薄膜進(jìn)行隔離，再在塑料薄膜上覆蓋導(dǎo)電銅箔膠帶，導(dǎo)電銅箔膠帶用引線引出，接到電源地上，作為接地屏蔽線。

利用儀用放大器INA128輸出端與采集卡NI USB 6001模擬輸入端連接，通過采集卡將電壓數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中，上位機(jī)采用labview進(jìn)行程序編寫，存儲數(shù)據(jù)和波形分析。實(shí)際測的脈搏波形如圖1所示。

3 結(jié)論

主要得到2個(gè)結(jié)論：（1）壓電陶瓷片用作傳感器時(shí)對靜態(tài)力無響應(yīng)，不可對靜態(tài)壓力進(jìn)行測量。（2）根據(jù)動態(tài)應(yīng)力特性，壓電陶瓷片尺寸越大，在同等力下的撓度越大，其形變越大，單位面積上所釋放的自由電荷也就越多，在制作傳感器時(shí)可選用尺寸較大的壓電陶瓷片，提高靈敏度。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋道仁，肖鳴山.壓電效應(yīng)及其應(yīng)用[M].科學(xué)普及出版社，1987（8）：32-34.

[2] SirohiJ，ChopraI.Fundamental Behavior of Piezoceramic Sheet Actuators[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2000，11（1）：47-61.

[3] 袁昕天，陸永耕，王照萌，等.壓電陶瓷諧振特性模型擬合仿真實(shí)驗(yàn)研究[J].自動化應(yīng)用，2017（2）：10-12.

[4] 袁曉紅.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)分析[J].化學(xué)工程與裝備，2017（6）：40-41.

Characteristics and Application of? Piezoelectric Ceramic Pulse Sensor

LI Chang-an，ZHAO Gang

（College of? electronic information Sichuan University， Chengdu? Sichuan? 610064）

Abstract：In order to measure the pulse signal， the piezoelectric ceramic pulse sensor and measuring device are designed. The sensor is made of piezoelectric ceramic with positive piezoelectric effect. The actual measurement shows that the pulse signal with high signal-to-noise ratio can be obtained.

Key words：piezoelectric ceramic; positive piezoelectric effect; pulse sensor